DE69009267T2 - Combined heat exchange system for ammonia synthesis reaction streams. - Google Patents
Combined heat exchange system for ammonia synthesis reaction streams.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeaustauscher und insbesondere Wärmeaustauschersysteme, in denen ein Strom eines Prozeßfluids durch 2 aufeinanderfolgende Wärmeaustauschstufen hindurchtritt, wo Wärme zwischen dem Fluidstrom und 2 Austauschfluiden ausgetauscht wird, und in denen die Betriebsbedingungen oder physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Temperatur, Korrosivität usw. des Fluidstroms gegenüber üblichen Konstruktionsmaterialien aggressiv sind.The present invention relates to heat exchangers and, in particular, to heat exchanger systems in which a stream of process fluid passes through 2 consecutive heat exchange stages where heat is exchanged between the fluid stream and 2 exchange fluids and in which the operating conditions or physical properties, such as temperature, corrosiveness, etc. of the fluid stream are aggressive to conventional materials of construction.
Der aufeinanderfolgende Austausch von Wärme zwischen einem Fluidstrom und 2 oder mehr Austauschfluiden wird in vielen Prozessen praktiziert. Die üblichste Anordnung umfaßt eine getrennte Umhüllung und einen Rohrwärmeaustauscher für jedes Austauschfluid, wobei der Fluidstrom durch aufeinanderfolgende Wärmeaustauscher über Verbindungsrohre strömt. Bei einem typischen aus Umhüllung und Rohr bestehenden Wärmeaustauscher kann der Fluidstrom entweder durch die Umhüllungsseite oder die Rohrseite des Austauschers hindurchströmen, wobei die beste Wahl von den spezifischen Umständen abhängt.The sequential exchange of heat between a fluid stream and 2 or more exchange fluids is practiced in many processes. The most common arrangement involves a separate shell and tube heat exchanger for each exchange fluid, with the fluid stream flowing through successive heat exchangers via connecting tubes. In a typical shell and tube heat exchanger, the fluid stream can flow through either the shell side or the tube side of the exchanger, with the best choice depending on the specific circumstances.
Ein Beispiel für einen aufeinanderfolgenden Wärmeaustausch ist ein Ammoniaksynthesesystem, wie es in US-A-4744966 beschrieben ist, worin ausströmendes Gas (Fluidstrom) aus einem Reaktor in einem ersten Wärmeaustauscher mit einem in dem Reaktor eingespeisten Gas gekühlt und dann in einem zweiten Austauscher durch Austauschen mit Dampf, in dem der Fluidstrom aus dem ersten Austauscher über eine Verbindungsleitung zum zweiten Austauscher fließt.An example of a sequential heat exchange is an ammonia synthesis system as described in US-A-4744966 wherein effluent gas (fluid stream) from a reactor is cooled in a first heat exchanger with a gas fed into the reactor and then in a second exchanger by exchanging with steam in which the fluid stream flows from the first exchanger via a connecting line to the second exchanger.
Wenn die Bedingungen oder Eigenschaften, wie z.B. Temperatur, Korrosivität usw. des Prozeßfluids im Hinblick auf übliche Konstruktionsmaterialien aggressiv sind, wurden verschiedene Anordnungen praktisiert, um die Umhüllung eines Austauschers gegenüber einem solchen aggressiven Fluid zu schützen.When the conditions or properties, such as temperature, corrosivity, etc. of the process fluid are aggressive with respect to common construction materials, various Arrangements are practiced to protect the casing of an exchanger against such an aggressive fluid.
Gemäß dem spezifischen Beispiel der US-A-4744966 verläßt das ausströmende Gas aus dem ersten Reaktor den Reaktor bei einer Temperatur zwichen 480 ºC und 540 ºC und wird in einen ersten Wärmeaustauscher geleitet, wo es auf eine Temperatur zwischen 390 ºC und 440 ºC durch Austausch mit dem in den ersten Reaktor eingespeisten Gas abgekühlt wird. Das ausströmende Gas wird dann über eine Verbindungsleitung in einen zweiten Wärmeaustauscher geführt, wo es durch Austausch mit Dampf weiter abgekühlt wird. Bei dieser Anwendung wird das aus dem Reaktor ausströmende Gas normalerweise mittels einer Verbindung, wie der in der US-A-4554135 beschriebenen, in die Rohre des ersten Austauschers geführt, um zu vermeiden, daß die Umhüllung dem aggressiven einströmenden Gas ausgesetzt wird. Im zweiten Austauscher wird aus ökonomischen Gründen das Gas durch die Seite der Umhüllung des Austauschers geführt und der Dampf durch die Rohrseite.According to the specific example of US-A-4744966, the effluent gas from the first reactor leaves the reactor at a temperature of between 480 ºC and 540 ºC and is passed into a first heat exchanger where it is cooled to a temperature of between 390 ºC and 440 ºC by exchanging with the gas fed into the first reactor. The effluent gas is then passed through a connecting line into a second heat exchanger where it is further cooled by exchanging with steam. In this application, the gas effluent from the reactor is normally passed into the tubes of the first exchanger by means of a connection such as that described in US-A-4554135 in order to avoid exposing the envelope to the aggressive incoming gas. In the second exchanger, for economic reasons, the gas is led through the side of the exchanger casing and the steam through the tube side.
Durch die Erfinder wurde erkannt, daß im unteren Teil des Temperaturbereichs des ausströmenden Gases, nämlich unter ca. 400 ºC, eine dünnwandige Verbindungsleitung aus Chrom- Molybdän-Legierungsstahl verwendet werden kann. Im oberen Teil dieses Temperaturbereichs ist jedoch, um eine Nitrierung des Metalls zu vermeiden, eine kostspieligere Ausführungsform erforderlich, bei der eine viel dickere Leitungswand oder ein Überzug innerhalb der Leitung aus einem nitrierbeständigen Material, wie z.B. Inconel verwendet wird. Unabhängig von der Ausgestaltung ergeben sich bei solchen hohen Temperaturen Schwierigkeiten bei der thermischen Expansion, der differentiellen Expansion, der maximalen Belastung und beim Schutz von geschweißten Verbindungen einschließlich eines Formenschlusses in geschweißten Ausführungen.It has been recognized by the inventors that in the lower part of the effluent gas temperature range, namely below about 400 ºC, a thin-walled connecting pipe made of chromium-molybdenum alloy steel can be used. In the upper part of this temperature range, however, in order to avoid nitriding of the metal, a more expensive design is required, using a much thicker pipe wall or a coating within the pipe made of a nitriding-resistant material such as Inconel. Regardless of the design, at such high temperatures, difficulties arise with thermal expansion, differential expansion, maximum load and protection of welded joints, including mold closure in welded designs.
Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeaustauscher und ist insbesondere für Wärmeaustauschersysteme anwendbar, in denen ein Fluidstrom durch 2 aufeinanderfolgende Wärmeaustauschstufen geführt wird, in denen Wärme zwischen dem Fluidstrom und 2 Austauschfluidrn ausgetauscht wird, und in denen die Betriebsbedingungen oder physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Temperatur, Korrosivität usw. des ersten Fluids gegenüber üblichen Konstruktionsmaterialien aggressiv sind. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die Aggressivität des Fluids variiert, wenn das Fluid durch das Austauschersystem hindurchströmt. Erfindungsgemäß wird vom Vorteil der variierenden Aggressivität Gebrauch gemacht und es werden die mit der Aggressivität verbundenen Probleme vermieden oder verringert und die Vorrichtungskosten reduziert.The present invention relates to heat exchangers and is particularly applicable to heat exchanger systems in which a fluid stream is passed through 2 successive heat exchange stages in which heat is exchanged between the fluid stream and 2 exchange fluids and in which the operating conditions or physical properties, such as temperature, corrosiveness, etc. of the first fluid are aggressive towards common construction materials. According to the invention it has been recognized that the aggressiveness of the fluid varies as the fluid flows through the exchanger system. According to the invention the advantage of the varying aggressiveness is used and the problems associated with the aggressiveness are avoided or reduced and the equipment costs are reduced.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmeaustauschvorrichtung für Abströme eines Ammoniakreaktors bereitgestellt, umfassend einen Zustrom-Abstrom-Austauscher, der eine erste rohrförmige Austauschzone umfaßt, die ein Bündel von Wärmeaustauschrohren enthält, die innerhalb der Zustrom-Abstrom-Wärmeaustauschzone gehalten werden; und eine Hochtemperatur-Wärmeabführvorrichtung umfassend eine zweite rohrförmige Austauschzone, die ein Bündel von Wärmeaustauschrohren enthält; dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschvorrichtung ferner eine Umhüllung umfaßt, wobei die Wärmeaustauschrohre der ersten rohrförmigen Austauschzone und die Wärmeaustauschrohre der zweiten rohrförmigen Austauschzone innerhalb der Umhüllung liegen; einen Rohrboden, der den Zustrom-Abstrom-Wärmeaustauscher von der Hochtemperatur-Wärmeabführvorrichtung trennt, und die Wärmeaustauschrohre der ersten rohrförmigen Austauschzone in diesem Rohrboden enden, so daß die Hochtemperatur- Wärmeabfuhrvorrichtung mit dem Zustrom-Abstrom-Austauscher direkt in Serie verbunden ist; und einen Schutzschild zwichen der Umhüllung und den Wärmeaustauschrohren der zweiten rohrförmigen Austauschzone zum Schutz der Umhüllung in der Hochtemperatur- Wärmeabfuhrvorrichtung nahe dem Rohrboden.According to one aspect of the present invention there is provided a heat exchange device for effluents of an ammonia reactor, comprising an inflow-outflow exchanger comprising a first tubular exchange zone containing a bundle of heat exchange tubes held within the inflow-outflow heat exchange zone; and a high temperature heat removal device comprising a second tubular exchange zone containing a bundle of heat exchange tubes; characterized in that the heat exchange device further comprises a shell, the heat exchange tubes of the first tubular exchange zone and the heat exchange tubes of the second tubular exchange zone being located within the shell; a tube sheet separating the inflow-outflow heat exchanger from the high temperature heat removal device, and the heat exchange tubes of the first tubular exchange zone terminating in said tube sheet so that the high temperature heat removal device is connected directly in series with the inflow-outflow exchanger; and a protective shield between the cladding and the heat exchange tubes of the second tubular exchange zone to protect the cladding in the high temperature heat removal device near the tube sheet.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren für ein Wärmeaustauschersystem zur Kühlung oder zum Erhitzen eines Fluidstroms eines Prozeßfluids bereitgestellt, umfassend die Stufen: Hindurchführen des Fluidstroms durch 2 in Serie verbundene Austauschstufen, umfassend den Austausch von Wärme zwischen dem Fluidstrom und einem ersten Austauschfluid durch Hindurchleiten des Fluidstroms durch eine Rohrseite eines Einpassagenbündels und Austauschen der Wärme zwischen dem Fluidstrom und dem zweiten Austauschfluid durch Hindurchführen des Fluidstroms durch eine Umhüllungsseite eines Mehrpassagenbündels; dadurch gekennzeichnet, daß sich die ersten und zweiten Rohrbündel in einer einzigen Umhüllung befinden; und dadurch, daß das Verfahren ferner die Ausbildung einer Abdichtung zwischen der Umhüllung und einem Rohrboden des Einpassagenbündels umfaßt, um Fluide in verschiedenen Umhüllungsseiten der 2 Wärmeaustauschstufen zu trennen; und ein Fließschema so ausgerichtet wird, daß die Betriebsbedingungen und/oder physikalischen Eigenschaften des Prozeßfluids in der Umhüllungsseite des Mehrpassagenbündels an einem dem Rohrboden des Einpassagenbündels näher gelegenen Ende aggressiver sind als an einem Ende, das von dem Einpassagenbündel weiter entfernt ist; und die Umhüllung von dem Prozeßfluid beim aggressiveren Zustand des Prozeßfluids durch Dazwischenschalten eines Schutzschildes zwischen der Umhüllung und mindestens einem Teil des Mehrpassagenbündels an dem dem Rohrboden des Einpassagenbündels näher gelegenen Ende geschützt wird.According to another aspect of the invention, there is provided a method for a heat exchanger system for cooling or heating a fluid stream of a process fluid, comprising the steps of: passing the fluid stream through 2 exchange stages connected in series, comprising exchanging heat between the fluid stream and a first exchange fluid by passing the fluid stream through a tube side of a single-pass bundle and exchanging heat between the fluid stream and the second exchange fluid by passing the fluid stream through a shell side of a multi-pass bundle; characterized in that the first and second tube bundles are in a single shell; and in that the method further comprises forming a seal between the shell and a tube sheet of the single-pass bundle to separate fluids in different shell sides of the 2 heat exchange stages; and arranging a flow sheet such that the operating conditions and/or physical properties of the process fluid in the jacket side of the multi-pass bundle are more aggressive at an end closer to the tube sheet of the single-pass bundle than at an end further from the single-pass bundle; and protecting the jacket from the process fluid at the more aggressive condition of the process fluid by interposing a protective shield between the jacket and at least a portion of the multi-pass bundle at the end closer to the tube sheet of the single-pass bundle.
Es werden nun erfindungsgemäße Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen bezuggenommen wird, in denen bedeuten:Embodiments of the invention will now be described by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which:
Figur 1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kombinierten Wärmeaustauschersystems, wie es zum Abkühlen des Abstroms eines Ammoniakreaktors verwendet wird;Figure 1 illustrates a schematic representation of a combined heat exchanger system according to the invention as used for cooling the effluent of an ammonia reactor;
Figur 2 ist ein detaillierter Querschnitt eines kombinierten Wärmeaustauschers, einschließlich eines Schutzüberzugs;Figure 2 is a detailed cross-section of a combined heat exchanger including a protective coating;
Figur 3 ist ein Querschnitt eines alternativen kombinierten Austauschers mit einem Abschirmblech;Figure 3 is a cross-section of an alternative combined exchanger with a shield plate;
Figur 4 ist ein Querschnitt eines weiteren alternativen kombinierten Austauschers mit einem Abschirmblech;Figure 4 is a cross-section of another alternative combined exchanger with a shield plate;
Figur 5 veranschaulicht den Querschnitt eines Teils eines kombinierten Wärmeaustauschers, der eine Dichtungsbuchse enthält;Figure 5 illustrates the cross-section of a portion of a combined heat exchanger incorporating a sealing bushing;
Figur 5a ist eine detaillierte Ansicht der Dichtungbuchse vonFigure 5a is a detailed view of the sealing bushing of
Figur 5; und Figur 5b veranschaulicht im Querschnitt einen Teil eines kombinierten Wärmeaustauschers, der eine Wärmebuchse in Kombination mit einer Dichtungsbuchse enthält.Figure 5; and Figure 5b illustrates in cross-section a portion of a combined heat exchanger containing a heat bushing in combination with a sealing bushing.
Die bevorzugten Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Um die Beschreibung zu erleichtern, bezieht sich eine Zahl, die in sich in einer Figur auf ein Bauelement bezieht, auf das gleiche Bauelement in einer anderen Figur.The preferred embodiments will now be described with reference to the drawings. For ease of description, a number referring to a component in one figure refers to the same component in another figure.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kombinierten Austauschers 10, der z.B. verwendet wird, um Abströme eines Ammoniakreaktors 5 abzukühlen. Der Ammoniakreaktor 5 ruht vertikal auf der Reaktorstütze 7 und ist mit dem kombinierten Austauscher 10 verbunden. Der kombinierte Austauscher 10 ist horizontal ausgerichtet und durch eine Strebe 9 gestützt, was eine achsiale Bewegung erlaubt, um sich der thermischen Expansion anzupassen.Figure 1 is a schematic representation of a combined exchanger 10 according to the invention, which is used, for example, to cool down effluents from an ammonia reactor 5. The ammonia reactor 5 rests vertically on the reactor support 7 and is connected to the combined exchanger 10. The combined exchanger 10 is horizontally oriented and supported by a strut 9, which allows axial movement to accommodate thermal expansion.
Die Figur 2 veranschaulicht Details eines kombinierten Austauschers 10. Der kombinierte Austauscher 10 weist eine erste Zustrom-Abstrom-Austauschzone 20 auf, und eine Hochtemperatur-Wärmeabführvorrichtung 50 innerhalb der Umhüllung 22, wobei die 2 Zonen durch einen Rohrboden 36 getrennt sind. Heißes Reaktorgas aus dem Reaktor 5 strömt durch eine Leitung 44 in einen Austauscherkopf 40 einer ersten Austauschzone 20 durch ein Expansionselement, wie z.B. eine Expansionsverbindung 42. Die erste Austauschzone 20 enthält ein Rohrbündel 30, das sich zwischen den Rohrböden 36 und 38 erstreckt. Das heiße Reaktionsgas strömt durch die Rohre 32 und den Rohrboden 36 in die Umhüllungsseite der zweiten Austauschzone 50.Figure 2 illustrates details of a combined exchanger 10. The combined exchanger 10 includes a first upstream-downstream exchange zone 20 and a high temperature heat removal device 50 within the shell 22, the 2 zones being separated by a tube sheet 36. Hot reactor gas from the reactor 5 flows through a line 44 into an exchange head 40 of a first exchange zone 20 through an expansion element, such as an expansion joint 42. The first exchange zone 20 includes a tube bundle 30 extending between the tube sheets 36 and 38. The hot reaction gas flows through the tubes 32 and the tube sheet 36 into the shell side of the second exchange zone 50.
Das Reaktor-Zustromgas strömt in die Umhüllungsseite der ersten Austauschzone 20 durch den Einlaß 12 wo es durch Austausch mit dem heißen Reaktionsgas innerhalb der Rohre 32 erhitzt wird. Eingespeistes Gas wird auf seinem Weg durch die erste Austauschzone 20 durch Ablenkplatten 34 zirkuliert. Nach Erhitzen durchströmt das eingespeiste Gas ein Mantelrohr 14, wodurch es in den Reaktor 5 eintritt. In diesem Beispiel liegt die Temperatur des Reaktionsgases, das die erste Austauschzone 20 verläßt, im Bereich von ca. 425 ºC bis 440 ºC. Die zweite Austauschzone 50 ist aus einem U-Rohrbündel 52 mit einer Vielzahl von U-Rohren 54 aufgebaut. Das Reaktionsgas strömt entlang der Umhüllungsseite des U-Rohrbündels 52 und tritt beim Gasauslaß 58 aus. Das Reaktionsgas wird durch Wärmeaustausch mit dem Dampf innerhalb der U-Rohre 54 abgekühlt, wodurch sich ein überhitzter Dampf hoher Temperatur ausbildet. Dampf mit niedriger Temperatur betritt die U-Rohre 54 über einen Dampfeinlaß 62 und tritt über einen Auslaß 64 aus. Die U-Rohre 54 werden innerhalb eines Rohrbodens 56 gehalten. Einströmender Dampf, der eine Kopfzone 60 über dem Einlaß 62 betritt, bleibt vom Auslaß 64 durch die Strömungsteilung 66 getrennt.The reactor feed gas flows into the shell side of the first exchange zone 20 through the inlet 12 where it is heated by exchanging with the hot reaction gas within the tubes 32. Feed gas is circulated through baffles 34 on its way through the first exchange zone 20. After being heated, the feed gas flows through a shell tube 14, thereby entering the reactor 5. In this example, the temperature of the reaction gas leaving the first exchange zone 20 is in the range of approximately 425°C to 440°C. The second exchange zone 50 is constructed of a U-tube bundle 52 having a plurality of U-tubes 54. The reaction gas flows along the shell side of the U-tube bundle 52 and exits at gas outlet 58. The reaction gas is cooled by heat exchange with the steam within the U-tubes 54, forming a high temperature superheated steam. Low temperature steam enters the U-tubes 54 via a steam inlet 62 and exits via an outlet 64. The U-tubes 54 are held within a tube sheet 56. Incoming steam entering a head zone 60 above the inlet 62 remains separated from the outlet 64 by the flow divider 66.
Obgleich die veranschaulichte Ausführungsform der Hochtemperatur-Wärmeabführvorrichtung aus einem Dampfüberhitzer besteht, können andere Hochtemperatur- Fluidaustauscher verwendet werden, einschließlich eines Dampfkesselsspeisewasseraustauschers, eines Kochwasseraustauschers oder dergleichen.Although the illustrated embodiment of the high temperature heat removal device consists of a steam superheater, other high temperature fluid exchangers may be used, including a boiler feed water exchanger, a boiling water exchanger, or the like.
Im Beispiel der Figur 2 liegt die Temperatur des Abstromgases, das die zweite Austauschzone 50 betritt, in einem Temperaturbereich von 425 bis 440 ºC. Um in diesem Bereich gegen Nitrierung zu schützen, werden Mittel zum Schutz des Teils der Umhüllung, der zum Rohrboden 36 am nächsten liegt, vorgesehen. Ein Überzug 70 aus einem nitrierbeständigen Material, wie z.B. Inconel , wird entlang der inneren Oberfläche der Umhüllung 22 vom Rohrboden 36 über eine ausreichende Distanz entlang der Länge der zweiten Austauschzone 50 angebracht, wo das ausströmende Gas durch Wärmeaustausch mit dem Dampf innerhalb der U-Rohre 54 ausreichend abgekühlt wurde, und zwar bis zu einer Stelle, wo das ausströmende Gas sicher eine Temperatur unterhalb ca. 425 ºC besitzt, die eine maximale Temperatur für die Nitriermaßnahmen darstellt, für die eine dickwandige Chrommolybdänlegierung geeignet ist. In einer konservativeren Ausführungsform erstreckt sich der Überzug 70 über einen wesentlichen Teil der Länge der Dampfüberhitzungszone 50.In the example of Figure 2, the temperature of the effluent gas entering the second exchange zone 50 is in a temperature range of 425 to 440 ºC. In order to protect against nitriding in this range, means are provided for protecting the part of the cladding closest to the tube sheet 36. A coating 70 of a nitriding resistant material, such as Inconel, is applied along the inner surface of the cladding 22 from the tube sheet 36 for a sufficient distance along the length of the second exchange zone 50 where the effluent gas has been sufficiently cooled by heat exchange with the steam within the U-tubes 54 to a point where the effluent gas is safely at a temperature below about 425°C, which is a maximum temperature for the nitriding operations for which a thick-walled chromium molybdenum alloy is suitable. In a more conservative embodiment, the coating 70 extends over a substantial portion of the length of the steam superheat zone 50.
Die Dampfüberhitzungszone 50 kann auch eine Reinigungsöffnung 57 in der Umhüllung 22 stromabwärts vom Rohrboden 36 aufweisen, um einen Zugang zum Rohrboden 36 zu erlauben, z.B. für eine Überprüfung oder Wartung. Die Reinigungsöffnung 57 wird durch den Deckel 57a abgedichtet. Obwohl nicht veranschaulicht, können sowohl die Reinigungsöffnung 57 als auch der Deckel 57a mit einem nitrierbeständigen Material beschichtet sein.The steam superheat zone 50 may also include a cleanout port 57 in the enclosure 22 downstream of the tubesheet 36 to allow access to the tubesheet 36, e.g., for inspection or maintenance. The cleanout port 57 is sealed by the cover 57a. Although not illustrated, both the cleanout port 57 and the cover 57a may be coated with a nitriding resistant material.
Die Figur 3 veranschaulicht einen alternativen kombinierten Austauscher 10a, in dem eine alternative zweite Austauschzone 50a einen anderen Umhüllungsschutz aus einem Abschirmblech 80 enthält. Mit der Ausnahme des Schutzes in Form des Abschirmblechs 80 anstelle des Überzugs 70 der Figur 2 sind die Ausgestaltungselemente des kombinierten Austauschers 10a der Figur 3 identisch mit denen der Figur 2, und brauchen deshalb nicht wiederholt zu werden.Figure 3 illustrates an alternative combined exchanger 10a in which an alternative second exchange zone 50a includes a different enclosure protection of a shielding plate 80. With the exception of the protection in the form of the shielding plate 80 instead of the coating 70 of Figure 2, the design elements of the combined exchanger 10a of Figure 3 are identical to those of Figure 2 and therefore need not be repeated.
Das Abschirmblech 80 besteht aus einer zylindrischen Schutzwand, die am Rohrboden angebracht ist und sich axial zwischen der Umhüllung 22 und dem U-Rohrbündel 52 erstreckt. Das Schutzblech 80 isoliert heißes Reaktionsgas, das aus den Rohren 32 der ersten Austauschzone 20 austritt, von dem heißeren Teil der äußeren Umhüllung 22. Das Schutzblech 80 wird am stromabwärtigen Ende durch die Stützen 82 getragen.The shield plate 80 consists of a cylindrical protective wall attached to the tube sheet and extending axially between the cladding 22 and the U-tube bundle 52. The shield plate 80 isolates hot reaction gas exiting the tubes 32 of the first exchange zone 20 from the hotter part of the outer cladding 22. The shield plate 80 is supported at the downstream end by the supports 82.
Die Figur 4 veranschaulicht eine konservativere Alternative, in der sich das Abschirmblech 80' über den Großteil der Länge des Rohrbündels 52 erstreckt und sich eine Auslaßdüse 58 nahe des Gaseinlaßendes des Austauschzone 50 befindet. Das in Figur 4 gezeigte Beispiel sieht einen ringförmigen Durchgang zwischen dem Abschirmblech 80 und der Umhüllung 22 vor, durch den das abgekühlte ausfließende Gas strömt, wodurch die Temperaturen der Umhüllung 22 sicher unterhalb von 425 ºC gehalten werden. Das Abschirmblech 80' wird am stromabwärtigen Ende durch die Stützen 82' gehalten.Figure 4 illustrates a more conservative alternative in which the shroud 80' extends most of the length of the tube bundle 52 and an outlet nozzle 58 is located near the gas inlet end of the exchange zone 50. The example shown in Figure 4 provides an annular passageway between the shroud 80 and the enclosure 22 through which the cooled effluent gas flows, thereby keeping the enclosure 22 temperatures safely below 425°C. The shroud 80' is supported at the downstream end by the supports 82'.
Die Dampfüberhitzungszone irgendeiner der Ausführungsformen kann zum Auseinandernehmen Trennflansche enthalten. In dem in den Figuren 3 oder 4 veranschaulichten Beispiel enthält die alternative Dampfüberhitzungszone 50a die Flansche 51a und 51b, wie dies durch die unterbrochenen Linien dargestellt wird, wodurch die Dampfüberhitzungszone 50a entfernt werden kann, um einen Zugang zum Rohrboden 36 zu erlauben.The steam superheat zone of any of the embodiments may include separation flanges for disassembly. In the example illustrated in Figures 3 or 4, the alternative steam superheat zone 50a includes flanges 51a and 51b as shown by the dashed lines, whereby the steam superheat zone 50a can be removed to allow access to the tubesheet 36.
Obwohl dies nicht zusammen veranschaulicht ist, kann der Überzug 70 der Figur 2 mit dem Abschirmblech 80 der Figur 3 (oder mit dem Abschirmblech 80' der Figur 4) kombiniert werden, um in Kombination zum Schutz der Teile der Umhüllung 22, die dem Hochtemperatur-Abstromgas ausgesetzt sind, zu schützen.Although not illustrated together, the coating 70 of Figure 2 may be combined with the shielding plate 80 of Figure 3 (or with the shielding plate 80' of Figure 4) to combine to protect the portions of the enclosure 22 exposed to the high temperature effluent gas.
Ebenfalls eingeschlossen ist ein Mittel zur Abdichtung der Umhüllungsseite der ersten Austauschzone 20 von der Umhüllungsseite der zweiten Austauschzone 50, um die Fluide getrennt zu halten. In einem Beispiel ist der Rohrboden 36 durch Verschweißen oder auf andere Weise an der Umhüllung 22 angebracht, wie in den Figuren 2, 3 oder 4. Um die thermische Expansion des Rohrbündels 30 zu ermöglichen, kann auch ein Mittel enthalten sein, wie z.B. eine Expansionsverbindung.Also included is a means for sealing the cladding side of the first exchange zone 20 from the cladding side of the second exchange zone 50 to keep the fluids separated. In one example, the tubesheet 36 is welded or otherwise attached to the cladding 22, as in Figures 2, 3 or 4. A means for allowing thermal expansion of the tube bundle 30 may also be included, such as an expansion joint.
Das bevorzugte Mittel zur Abdichtung des Rohrbodens 36 gegenüber der Umhüllung 22 ist die in den Figuren 5 und 5A veranschaulichte Dichtungsbuchse 90. Solche Abdichtungsmittel ermöglichen ebenfalls die thermische Expansion des Rohrbündels 30.The preferred means for sealing the tube sheet 36 to the enclosure 22 is the sealing bushing 90 illustrated in Figures 5 and 5A. Such sealing means also enable thermal expansion of the tube bundle 30.
Die Dichtungsbuchse 90 dichtet den Rohrboden 36 gegen die Austauscherumhüllung 22 ab und isoliert ihn davon. Der Rohrboden 36 ist mit einem sich zylindrisch erstreckenden Teil 36a ausgestattet, der dazwischen einen ringförmigen Raum ausbildet, in dem die Dichtungsringe 92 angeordnet sind. Der Klemmring 95 wird an den erweiterten Teil des Rohrbodens mittels des Polzens 94 angebracht, der mittels der Knebelmuttel 96 gesichert ist. Der Dichtungspolzen 98 läuft durch den Dichtungsring 95, wodurch die Dichtungsringe 92 einstellbar zusammengedrückt werden, um den gewünschten Abdichtungsdruck zu ergeben.The sealing bushing 90 seals and isolates the tube sheet 36 from the exchanger casing 22. The tube sheet 36 is provided with a cylindrically extending portion 36a defining an annular space therebetween in which the sealing rings 92 are disposed. The clamp ring 95 is attached to the extended portion of the tube sheet by means of the pin 94 which is secured by means of the toggle nut 96. The sealing pin 98 passes through the sealing ring 95, thereby adjustably compressing the sealing rings 92 to give the desired sealing pressure.
Die Figur 5B veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, in der eine Wärmebuchse 99 mit einer Dichtungsbuchse 90a am äußeren Ende der Wärmebuchse 99 kombiniert ist (die Bauelemente der Dichtungsbuchse sind die gleichen wie die der Dichtungsbuchse 90 der Figur 5A und werden deshalb nicht widerholt). Diese Anordnung ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil sie flexibel ist und geringeren Biegespannungen unterliegt, wodurch eine bessere und sichere Abdichtung bereitgestellt wird.Figure 5B illustrates another embodiment in which a thermal bushing 99 is combined with a sealing bushing 90a at the outer end of the thermal bushing 99 (the structural elements of the sealing bushing are the same as those of the sealing bushing 90 of Figure 5A and are therefore not repeated). This arrangement is particularly advantageous because it is flexible and subject to lower bending stresses, thereby providing a better and more secure seal.
Obwohl die veranschaulichten Ausführungsformen im Zweipassagenbündel U-Krümmungen als Mittel zur Rückführung des Fluids aus dem ersten Durchgang zum zweiten Durchgang verwenden, können andere Mittel verwendet werden, wie Z.B. ein Schwimmkopf.Although the illustrated embodiments in the two-passage bundle use U-bends as a means of returning the fluid from the first passage to the second passage, other means may be used, such as a floating head.
In einer anderen Ausführungsform kann alternativ ein Bündel von Passagen mit gerader Anzahl, z.B. ein Vierpassagenbündel, anstelle des Zweipassagenbündels verwendet werden.In another embodiment, a bundle of passages with an even number, e.g. a four-passage bundle, may alternatively be used instead of the two-passage bundle.
Die veranschaulichte und beschriebene kombinierte Austauscheranordnung eliminiert die Notwendigkeit einer Verbindungsleitung zwischen benachbarten Austauschern. Eine solche Verbindungsleitung ist thermischer Beanspruchung ausgesetzt und kann über ihre Länge einen nitrierbeständigen Überzug erforderlich machen. Durch Kombinieren der Austauscher innerhalb einer einzigen Umhüllung werden die Schwierigkeiten aufgrund hoher Beanspruchungen durch thermische Expansion und die Probleme, mit einer Verbindungsleitung, die entweder einen Überzug hat oder die vollständig aus einem nitrierbeständigen Material besteht, sichere Schweißverbindungen zu erhalten, verringert. Die Eliminierung der Verbindungsleitung verringert auch die Menge des Materials, die dem Hochtemperatur-Abstrom ausgesetzt ist. In einem Fall wurde gefunden, daß die Verwendung der kombinierten Austauscheranordnung im Vergleich zu einer Anordnung aus 2 getrennten Austauschern ca. $ 200000 einsparte.The combined exchanger arrangement illustrated and described eliminates the need for a connecting line between adjacent exchangers. Such a connecting line is subject to thermal stress and may require a nitriding resistant coating along its length. By combining the exchangers within a single enclosure, the difficulties due to high thermal expansion stresses and the problems of obtaining secure welds with a connecting line that is either coated or made entirely of a nitriding resistant material are reduced. Elimination of the connecting line also reduces the amount of material exposed to the high temperature effluent. In one case, it was found that using the combined exchanger arrangement saved approximately $200,000 compared to an arrangement of 2 separate exchangers.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen betritt der Fluidstrom die Austauscher bei einer erhöhten Temperatur und wird abgekühlt, wenn er durch die Rohre der Einpassagen- Rohrzone und dann durch die Umhüllungsseite der Zweipassagen- Rohrzone hindurchtritt. In einer anderen Ausführungsform betritt der Fluidstrom den Austauscher bei einer relativ milden Temperatur und wird auf einen aggressiveren Zustand erhitzt, wenn er durch die Umhüllungsseite der Zweipassagen- Rohrzone und dann durch die Rohrseite der Einpassagen-Rohrzone hindurchfließt, wobei Mittel zum Schutz der Umhüllung und der Zweipassagen-Rohrzone vorhanden sind, die ähnlich sind den in den vorausgehenden Ausführungsformen beschriebenen Mitteln.In the embodiments described above, the fluid stream enters the exchangers at an elevated temperature and is cooled as it passes through the tubes of the single-pass tube zone and then through the cladding side of the two-pass tube zone. In another embodiment, the fluid stream enters the exchanger at a relatively mild temperature and is heated to a more aggressive state as it passes through the cladding side of the two-pass tube zone and then through the tube side of the single-pass tube zone, with means for protecting the cladding and the two-pass tube zone similar to those described in the previous embodiments.
In einer anderen Ausführungsform tritt oder verläßt der Fluidstrom den Austauscher bei einer aggressiven kalten Temperatur, wobei der Austauscher mit Schutzmitteln, wie sie vorstehend für heiße Gase beschrieben wurden, ausgestaltet ist.In another embodiment, the fluid stream enters or leaves the exchanger at an aggressive cold temperature, the exchanger being designed with protective means as described above for hot gases.
Das beschriebe Wärmeaustauschersystem ist deshalb besonders geeignet für den Wärmeaustausch mit Fluiden, in denen die Bedingungen oder Eigenschaften, wie z.B. Temperatur, Korrosivität usw., des ersten Fluids gegenüber üblichen Konstruktionsmaterialien aggressiv sind, und in denen die Aggressivität des Fluids variiert, wenn das Fluid durch das Austauschersystem hindurchströmt, und ist insbesondere geeignet zur Abkühlung des Abstroms eines Ammoniakreaktors.The heat exchanger system described is therefore particularly suitable for heat exchange with fluids in which the conditions or properties, such as temperature, corrosiveness, etc., of the first fluid are aggressive towards common construction materials, and in which the aggressiveness of the fluid varies as the fluid flows through the exchanger system, and is particularly suitable for cooling the effluent of an ammonia reactor.
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